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物理小故事1 曹绍夔为和尚除怪 唐朝开元年间，洛阳有一座寺院出了一件怪事：寺里有一个磬，没有人敲打它常常自己“嗡嗡嗡”地响起来，把寺院里的和尚都吓坏了。 那个磬样子像个瓦钵，放在老和尚房里。老和尚每天早晚烧香念经，都要用椿锤敲磬。 磬就发出“当！当……”的清脆的响声。可是不知怎么搞的，有时候，老和尚并没有敲它，它无缘无故自己响起来了。寺里的和尚以为出了什么妖魔，请了许多会法术的人来降妖伏魔，都没有结果。那个老和尚疑神疑鬼，吓得生了病。 老和尚有个朋友叫曹绍夔。他听说老和尚病得很厉害，就到寺院里去探望他，问他得病的原因。老和尚就把磬自己发出响声的怪事一五一十地告诉了他。曹绍夔很懂音乐，会修理各种乐器。他一面听，一面心里捉摸。他想：这个磬自己发出响声，决不是什么妖魔作怪，总会有什么原因。正巧吃饭的时候到了，小和尚到钟楼里撞起大钟，老和尚房里的磬又响起来了。曹绍夔心里完全明白了，他笑着对老和尚说：“你明天好好请我吃一顿饭，我来给你除怪。”老和尚不相信曹绍夔真能除怪，但是看他说得那么肯定，也许有一线希望，就真的办了一桌很丰盛的饭莱，把曹绍夔请了来。曹绍夔吃过饭，从怀里取出一把锉，在磬上这儿锉几下，那儿锉几下，锉了几处，他对老和尚说：“你放心吧，磬再也不会自己响了。” 打这以后，磬真就不再自己响了。老和尚问曹绍夔：“为什么那个磬被你锉了几下，以后就不再自己响了呢？”曹绍夔回答说：“这个磬的律跟你们钟楼里那口大钟的律正好相同。因此只要饭堂里的大钟一响，这个磬就跟着响起来。我用锉把磬锉了几下，它们的律就不相同了。所以撞那口大钟的时候，这个磬就不再跟着响了。”老和尚听了这番话，消除了心中的疑惑，病也就好了。曹绍夔所说的“律”，是现在我们所说的乐器的“频率”。什么是“频率”呢？就是乐器在发声的时候，每秒钟振动的次数。老和尚房里的磬和饭堂里的大钟，频率恰巧相同。小和尚一敲大钟，大钟振动起来，发出一定频率的声波。声波通过空气，传到老和尚房里的磬上，磬的频率因为和声波的频率相同，就跟着振动起来，发出了响声。这种现象，在物理学上叫做“共振”，或叫做“共鸣”。曹绍夔把磬锉了几下，就改变了磬的频率。磬的频率和大钟不相同了，就不会再跟大钟发生共鸣了。2 从昂热桥惨案说起 18世纪中叶，法国昂热市附近有一座102米长的桥梁，一队士兵正步通过这座桥时突然发生桥梁断裂，226人掉入河中殒命。1906年的一天，俄国彼得堡封塔克河的一座桥上，一队骑兵以整齐的步伐到达桥心时，桥突然裂成数段坠入河中。这样的故事，别的地方也发生过。当时人们进行了调查，发现桥所受的载荷远远没有超过许可的范围，坍毁前也没有任何损坏的地方，这在当时是个不解之谜。随着科学的发展，人们才弄清：这种破坏事故是“共振”造成的。如果用钳子夹住钢锯条的一端，另一端用手弹一下，它就要来回振动。尽管振动幅度越来越小，但每秒钟振动次数总是不变的。这个振动次数叫物体的固有频率。任何物体都有自己的固有频率。譬如近处有一个振源，它的频率接近于这个物体的固有频率，该物体在外界振源影响下会振动得越来越激烈，这种现象就叫做共振。 大队人马迈着整齐的步伐过桥，如果步伐正好与桥的固有频率一致，桥的振动就会加剧，振幅也逐渐加大，直到超过了桥的抵抗力时，就产生断裂。现在，世界各国都有一条不成文的规定：大队人马必须便步过桥。在现代铁路运输中也要考虑共振的影响。因为火车车轮撞击轨道要发生有节奏的强烈振动，如果这个振动频率与车轮弹簧的固有频率相接近时，乘客就要大受“颠簸之苦”了；如果这个频率和所经过的桥梁固有频率相接近，同样会造成桥断车覆的后果。 1890年，一艘外国远洋巨轮，在大海中拦腰折断而惨遭覆灭。经分析，船的发动机和主轴中心没有对准，在运转中产生了周期性的惯性离心力，它的周期性与船体的固有频率相接近，产生了强烈振动以致使船体破坏。在现代航天、航空、航海和机器制造中，都必需考虑到共振的破坏作用。共振在工程上有破坏作用，但只要掌握了它的规律也能让它为人们服务。 在建筑工地上，人们常能见到振动捣固机，有了它，混凝土制件就更结实。振动式压路机能迅速地把路面压平。在矿山里，利用快速振动的风镐开凿岩石、挖煤炭，其他如振动式粉碎机、振动炭沙机等无不是利用共振现象来制造的。3 塔科马狭桥的倒塌 从前在美国塔科马有一座著名的狭桥。这座桥在施工时发生过摆动。不时的振动使修桥工人感到晕眩。桥竣工通车后，摇摆得更加厉害。它吸引了不少远方的客人驾车到此一游，为的是寻求刺激，尝尝汽车驶过摇摇晃晃的狭桥时的滋味。在某些日子里，桥身上下振动的幅度竟达1.5米，使得驾驶员看不见在它前面行驶的汽车。 这座桥的倒塌非常突然。有一天早上，桥突然停止振动，不一会它疯狂地扭转振动起来。30分钟后第一块路面开始坠入水中，接着有200米长的路面断开，然后振动停止了几分钟，最后又发生新的振动，将残留的桥面全部掀到水里。事后，人们对狭桥的设计老是找不出可以指责的地方，因为那时人们对于吊桥的空气动力学特性知道得很少。这场灾难在当时说来是属于不可预测的（或称不可抗拒的），但它对以后的大桥设计影响颇大。 出事那天的风并不特别大，但因为桥在风的作用下产生了共振，振幅不断增大，直至使狭桥破坏。风是怎样作用在桥上的呢？为什么相当均匀的风，会使桥产生脉冲式的振动，然后变为扭转振动呢？ 研究的结果表明，是桥上竖直方向的结构板引起了桥的振动。它对风的阻力很大，风被挡之后，大量的气流便从结构板的上方经过然后压向桥面。由于吹过的气流因不断地被屈折而使速度增加，所以在竖直结构板的上方和下方压力降低（伯努利定律）。如果风总是从板的正前方吹来，那倒不要紧，因为上下方的压力降低会互相抵消。但是，如果风的方向不停地变换的话，压力就会不断地变化。这一压力差作用在整个桥面上，并因挡风的竖直结构板后所产生的涡流而得到加强，结果桥就开始振动。与这类似的情况是电话线在压力差和涡流的作用下会产生啸声。4 金属疲劳铸成的悲剧 1979年5月25日，一架满载乘客的美国航空公司DG—10型三引擎巨型喷气客机，从芝加哥起飞不久，就失去了左边一具引擎，随即着火燃烧，然后爆炸坠地。机上273名乘客和机组人员无一幸免。这是世界航空史上最悲惨的事件之一。 事后，有关当局对这架失事飞机的残骸进行检查后发现，这架飞机上连接一具引擎与机翼的螺栓因金属疲劳折断，从而导致引擎燃烧爆炸。 人累了会疲劳，难道金属也会疲劳吗？ 稍微留点心的话，我们就会注意到：用双手将一根细铁丝拉断，这是很费力的，然而，若用双手将细铁丝来回反复弯折，那么很快就会将铁丝折断。这说明，像钢铁这类的金属在反复交变的外力作用下，它的强度要比在不变的外力作用下小得多。人们把这种现象叫做金属材料的“疲劳”。金属材料为什么会疲劳呢？当金属材料所受的外力超过一定的限度时，在材料的内部存在缺陷或者是相互间作用最强的地方，会出现极微细的肉眼看不见的裂纹。如果材料所受的外力不是变的，这些微细裂纹不会扩展，材料也就不会损坏。但若材料所受的是方向或大小不断重复变化的外力，这时候这些微细裂纹的边缘，就会时而胀开，时而相压，或者彼此研磨，使得裂纹逐渐扩大和发展。当裂纹发展到一定的程度，材料被削弱到不再能承担外力时，材料就会像雪崩似地毁于一旦。 由于金属材料的疲劳一般难以发现，因此常常造成突然的事故。在第二次世界大战期间，美国的5000艘货船共发生1000多次破坏事故，有238艘完全报废，其中大部分要归咎于金属的疲劳。 那么，有没有办法克服金属的疲劳，让它延年益寿呢？有：尽量减少零件上的薄弱环节，比方说，开孔、挖槽、切口等，因为疲劳裂纹常常发生在这些地方；提高零件表面的光洁度，保护表面不受生锈腐蚀之害，加工粗糙所产生的刻划痕以及材料锈腐之处，都是容易产生微细裂纹的；对零件表面进行强化处理，比如，辗压零件的表面，使材料表面强化，从而不易产生微细裂纹。5 少了19吨鱼 从前，有这样一件事：一个商人向荷兰渔民购入5000吨青鱼，装在船上，从荷兰一个城市运到靠近赤道的非洲城市——马加的沙港去。到了那里，一过秤，发现青鱼少了将近19吨。奇怪！到哪里去了呢？被盗是不可能的，因为轮船沿途并没有靠过岸。当时大家都无法揭开这一秘密。有一次，苏联的一位运动员，也碰到一件怪事。这位运动员在他出生的城市，掷铁饼经常能掷到50米远，可是在列宁格勒的全苏运动会上，他无论怎么努力，也掷不到那么远，总要相差8～9厘米。 这又是怎么回事儿？ 我们知道，物体的重量是由地球对它的吸引力而产生的，同时，地球对一个物体的吸引力，是跟这个物体离开地心的远近而变化的。假如，我们把1公斤的一块铁，放到离地面6400公里高空，就是说，把这块铁举到地面离地心两倍的距离（地球的平均半径不到6400公里），那么这块铁所受到的地心引力就会减少四分之三，它的重量只有0.25公斤了。物体重量的变化情况还多呢。在高山上要比平地上轻一些，在赤道上要比南极轻些，在水里要比在陆地上轻得多，如果飞到地球引力达不到的高空里去，那就根本没有重量了。前边说的青鱼和铁饼的故事，都是地球引力跟人开的玩笑。由于地球是稍带椭圆的，它的南北两极的半径要比赤道的半径小22公里，半径越小，吸引力越大，半径越大，吸引力越小。因此，在荷兰的5000吨青鱼，运到靠近赤道时，就剩下4981吨了。与此相反，列宁格 学科网每份资料都启用了数字版权保护，仅限个人学习研究使用。任何分享、转载行为都会导致账号被封，情节严重者，追究法律责任！
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